矿井提升机控制系统发展的研究
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[摘 要]矿井提升机是矿井生产的重要机电设备，其性能的好坏关系着矿工的生命安全和企业的经济效益。本文总结国内外矿井提升机的发展历程，各种系统的优缺点，以及当前存在的主要的问题，为将来的研究工作抛准引玉。
中图分类号：TD534 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0145-01
1 前言
矿井提升机控制系统作为煤矿的主要生产设备，关系到煤矿高效和安全生产，主要要求如下：平滑的调速性能、高精度、实现四象限运行、很好的检测速度和行程、具备良好的故障监测功能、具备可靠的制动控制系统等。根据提升机对控制系统的要求，其电气传动方式通常有直流传动和交流传动两种[1，2]。本文对国内外提升机的发展现状的主要几个方面进行总结。
2 发展现状
2.1 直流传动
直流电机具有良好的启动、调速和制动性能，可以在大范围内进行无级调速，非常适用于经常切换正反转和调速指标要求高的提升机。直流他励电机在提升机中应用广泛，其控制系统选用F-D系统，由同步电机带动直流发电机，对电机直接供电。通过改变发电机的励磁电阻实现对发电机的励磁改变，从而改变发电机电势和直流电机电枢电压，完成电机转速的改变，达到提升机调速的目的。如瑞典、德国等国多数采用此传动方式，降低了系统的复杂程度。
2.2 交流传动
由于交流电动机具有构造简单、造价便宜、运行可靠等特点，更适用于恶劣的环境中。伴随着电力电子器件、电子技术、自动控制理论及先进的交流调速理论的发展，交流传动取得的控制特性能够和直流调速相媲美。二十世纪七十年代德国SIEMENS公司矢量控制变频技术的出现，标志着交流调速取代直流调速的技术时代正在到来。随着计算机和PLC技术的发展，外国工程技术人员将计算机和PLC技术应用于矿井提升机控制系统中，使得提升机自动化水平达到了一个新高度，安全回路和制动系统更加完善，并提供了现代化的管理和监控模式。
（1）变频器的结构
变频器按变换环节分交-交变频器和交-直-交变频器。其中，交-交变频器是把频率固定的交流电通过斩波或相控的方式直接变换成频率和幅值连续可调的交流电，也叫直接变频器。
交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，输出频率是电网频率的1/3～1/2，具有良好的调速性能、效率高等优点，特别适用于容量较大的低速矿井提升系统中。但交-交变频器存在功率因数低、谐波大、输出频率变化范围小、对电网污染严重等缺点。
与交-交变频器相比，交-直-交变频器先把交流电整流为直流电，然后将直流电逆变成频率连续可调的交流电，也叫间接变频器。由于在逆变的环节较易控制，所以交-直-交变频器的频率调节范围大，同时在改善变频后电机特性方面具备明显的优势。交-直-交变频器具有效率高、谐波小、电流波形近似为正弦波等优点，本文将选用交-直-交变频器结构。
交-直-交变频器一般分为不可控整流单元型变频器和双PWM变频器。不可控整流单元型变频器的硬件结构一般采用电压源型的交-直-交结构，整流单元采用整流二极管实现，目前通用变频器均采用此结构。通过电容的滤波稳压后经过SPWM逆变电路，输出电压和频率均可调的交流电。
这类变频器在矿井提升机调速系统中应用时，当电动机在工作频率下降过程中，即处于再生发电状态时，由于变频器整流侧二极管具有单向导电性，提升机系统的机械能不能回馈到电网，要回馈到直流电路中，从而导致直流母线电压Ud骤升，即泵升电压，甚至达到危险的地步，损坏变频器中整流与逆变开关器件以及直流滤波电容，从而导致变频器无法正常工作。为了解决上述问题，必须及时消耗掉再生到直流电路中的能量，使Ud保持在安全范围内，中小型变频器一般采用制动电阻单元，在电机制动时，将反馈回的巨大能量消耗于制动电阻Rb中。此结构变频器应用于矿井提升机电控系统中时，主要缺点如下：①污染电网；②功率因数低；③动态响应慢；④体积增大。
为了满足变频器实现四象限运行的要求，将制动的电能有效回馈电网，利用能量回馈单元实现变频器的四象限运行时，能量回馈过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波3部分组成。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，输出电压相位与电网电压相位一致。由于回馈逆变单元输出的是调制波，需增加输出滤波部分，存在结构复杂，谐波对电网污染较严重，且功率因数较低，对变频器运行缺少优化和保护功能等问题，制约了该结构的应用。
综上所述，在提升机控制系统中采用通用变频器实现调速时，共同存在功率因数低、谐波污染严重、动态响应慢及结构复杂等问题难以解决。随着双PWM变频器的出现可以很好地解决以上问题。
（2）控制器的发展
自动控制系统的控制器主要有DSP、工控机和PLC等，其中DSP具有强大的数字信号处理功能，广泛应用于数字电源、数字电机及通信控制中；工控机广泛应用于交流变频装置中的提升工艺过程控制，利用控制总线将控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在一起，组成静止变流器的传动控制，利用计算机调节速度及其它变量。PLC是在继电器控制系统基础上发展起来的先进自动控制装置，使控制系统性能更加稳定，功能特别强大。
⑶变频调速控制方式
变频调速中的主要部件是变频器，目前变频器经常使用的控制方式有：V/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。
①V/f控制：当变频器的输出频率改变时电压也改变，V/f为常数，实现较宽范围的调速，保证电动机的转矩及功率因数不降低。这种控制方式具有成本低、结构简单等优点，但V/f控制是一种开环控制方式，具有动态特性较差、调整控制参数麻烦、当低速运行时动态响应慢等缺点，多用于变频调速性能要求不高的场合。
②转差频率控制：通过对电机转速的检测，组成转速闭环，速度调节器输出转差频率，然后以电
动机速度对应的频率与转差之和作为变频器的给定输出频率。这种控制方式具有调速精度高、范围大、系统稳定等优点，但其快速性差，不能适应矿井提升机系统对快速性的要求。
③矢量控制：控制策略的基本点是分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，也就是把交流电机等效为直流电机来进行控制，获得和直流电机相媲美的控制特性。
3 存在主要问题
（1）由于提升载荷的频繁变化，一般情况下调速方式不能自动适应系统变化的要求；
（2）使用传统变频器实现调速，动态响应速度慢，不利于提升机快速实现四象限运行的切换，且造成对电网谐波污染；
（3）传统的变频调速系统能量利用效率和系统的可靠性较低；
（4）提升机控制系统内部传输信号质量差，故障率高，难以实现全自动运行；
（5）在提升机作为能量回馈过程中，产生大量的低次谐波，影响逆变的正常工作，对电网造成污染。
4 小结
本文介绍了国内外提升机发展和研究现状，主要分为直流和交流调速系统进行介绍，重点论述认交流调速系统的结构和特点，阐述了控制器的发展和变频调速的四种控制方式，最后分析了当今国内矿井提升机的控制系统存在的主要问题。
参考文献
[1]杨德东.煤矿固定机械及运输设备.长春：吉林大学出版社，2013.06.
[2]王崇林，李长录，谭国俊.煤矿供电与电气控制.徐州：中国矿业大学出版社，2008.07.